地鐵電氣控制模塊設計

摘 要：電氣控制系統對地鐵的高效、平穩運行具有重要意義，但是目前電氣控制系統存在相應速度慢、功耗高等問題，因此本文對地鐵電氣控制模塊進行了總體設計、硬件設計、軟件設計和算法設計。在硬件設計方面，本文以STM32芯片為核心設計了嵌入式系統結構，并以此為基礎進行了相應的算法模型設計。最后對地鐵電氣控制模塊進行了測試試驗。測試結果顯示，在本文設計的電氣控制模塊下，功耗明顯降低，響應速度明顯加快，可以更好地保障地鐵安全運轉。

關鍵詞：地鐵；電氣系統；控制模塊；仿真測試

中圖分類號：U 231" " " " " " 文獻標志碼：A

地鐵在城市交通系統中具有重要作用，不僅是主流公路交通系統的有益補充，也極大提升了運輸效率、節省了交通系統的占地空間[1]。因此，很多一線城市新一線城市，都在進行地鐵建設或者擴大原有地鐵的規模。地鐵系統的組成結構非常復雜，包含了車體系統、通信系統、控制系統，其中電氣控制是非常關鍵的組成部分[2]。一方面電氣控制單元，實現了各種形式能量和電能間的轉換，另一方面電氣控制輔助其他子系統完成預定的操作，有力地支撐了地鐵運輸任務的完成[3]。因此，本文設計了地鐵系統的電氣控制模塊和單元，以提高地鐵運輸性能和運輸效率。具體的設計工作包括電氣控制單元的硬件設計、軟件設計、算法設計以及性能測試和仿真。

1 地鐵電氣控制模塊的硬件設計

1.1 電氣系統總體功能

地鐵系統的構成非常復雜，涉及車體子系統、控制子系統、通信子系統和電氣子系統等。各個子系統的邊界區分不嚴格，在物理空間的架構下，各個子系統可能會出現交疊。電氣子系統獨立為一個系統，同時嵌入其他子系統中，例如車體的運動控制需要電氣電路或某些電氣單元，這樣各個子系統就形成了交叉。

本文的重點研究對象是電氣子系統，尤其是電氣控制模塊部分。電氣控制模塊的主要作用是從地鐵控制系統接收控制指令或預先設定好的控制程序，并根據這些指令和程序形成自己的控制機制，對電氣模塊、電器元件和電線路進行控制，進而完成預定的任務，因此地鐵電氣控制系統的主要功能既包括和控制系統進行信息交換，也包括和車體系統進行能量交換，其總體功能如圖1所示。

1.2 電氣設備分類

地鐵系統里常見的電氣設備包括供配電設備、照明設備和通信設備。地鐵車站的供配電設備主要包括高壓變電站、配電室和配電箱等。高壓變電站將高壓電網的電壓降低后轉換為適用于地鐵車站的中、低壓電能，配電室將高壓電能輸送至車站各個分配電箱，而分配電箱將電能供應給車站內部各個設備。其中，配電箱主要由進線柜、配電柜和儀表柜等組成，其目的在于合理分配電流和保障車站用電安全、穩定。

地鐵車站的照明設備主要包括室內照明、室外照明和緊急照明等。室內照明主要采用LED燈具和熒光燈具等，以達到舒適、均勻、高效的照明效果。室外照明主要采用LED投光燈、熒光燈和路燈等，以提供安全、可靠的照明保障。緊急照明設備則在突發情況下提供關鍵的照明服務，以保證車站投運的正常運行。

地鐵車站的通信設備主要包括綜合監控系統、防盜報警系統、廣播系統和PIS系統等。綜合監控系統能夠實時監控車站各個區域的安全情況，防盜報警系統能夠在車站內發生突發事件的情況下及時預警、報警，廣播系統發布車站內各種運行狀態的廣播信息，PIS系統發布列車運行時刻表、停車位置等相關信息。

本文對電氣控制模塊的設計主要是針對照明、通信等電器設備的，旨在降低這些設備造成的電能消耗，并使電氣控制具備實時性。

1.3 電氣控制模塊硬件設計

為了控制地鐵中的各種電氣設備，本文給出了電氣控制模塊的硬件設計，其結構以STM32芯片為主。STM32芯片為核心控制器，利用開關輸入量控制狀態報警，并利用開關量輸出控制一些電氣設備的啟動和停止，此外STM32芯片還與地鐵系統中的觸摸屏、傳感器等保持聯系，具體的硬件結構形式如圖2所示。

2 地鐵電氣控制模塊的軟件和算法設計

地鐵電氣系統以硬件作為控制結構的支撐，還需要配套算法和軟件才能最終實現控制功能。基于圖2給出的硬件系統框架，需要進行的軟件和算法設計包括運行在STM32芯片上的主控程序軟件、用于傳感器數據采集和功能控制的程序軟件、用于觸摸屏顯示和錄入功能控制的程序軟件以及用于電源供電的程序軟件等。各個程序間的嵌入和連接關系如圖3所示。

需要指出的是，為了獲得車廂和重要設備的狀態信息，地鐵系統會配置大量傳感器。這些傳感器進行信息采集時通常利用串口總線完成信道建立，以使傳感器和STM32芯片相連接。用于車站信息顯示的電子屏等設備的顯示數據量有限，不需要并行處理，只經過串口連接即可。

顯然，地鐵電氣控制模塊最核心的單元是STM32芯片單元，該芯片會對各種形式的能量交換進行控制，保證實際發生功率和各電氣單元額定功率相匹配。該過程的具體形式如公式（1）所示。

（1）

式中：T為地鐵電氣系統工作的持續時間系數；P為地鐵電氣系統所需要的實際功率大小；t為地鐵電氣系能量交換的某一個具體時間點位；K為地鐵電氣系統中兩類功率間的協調系數；Q為地鐵電氣系統所需要的額定功率大小。

車廂內的熱量交換是能量交換的一種重要形式，該過程的具體形式如公式（2）所示。

（2）

式中：A為車廂內交換的熱量總和；t為熱量交換的某一個具體時間點位；p為地鐵車廂內的空氣密度；V為地鐵車廂內的空氣總體積；C為熱量交換的調整系數；D為計算過程中用到的距離參數；t1為地鐵車廂內熱量交換完成的起始時間；t2為地鐵車廂內熱量交換完成的終止時間。

3 地鐵電氣控制模塊的性能測試試驗

至此，本文對地鐵電氣控制模塊進行了硬件設計、軟件和算法設計，并給出了功率匹配、熱量交換等數學模型。下文將以試驗的形式對地鐵電氣系統控制模塊的設計效果進行驗證，主要包括2組試驗。

第一組試驗，在本文設計的電氣模塊下，測試地鐵系統實際需求功率確定后控制單元的功率響應變化曲線，曲線的變化形態如圖4所示。

以圖4中一個點的二維坐標計算過程為例，具體計算方法如下所示。因為充分的氣流交換，引出地鐵空間內的空氣密度為p=1.29kg/m3；地鐵車廂的長度為22m，高度為3.8m，寬度為3.0m，可以計算出地鐵車廂體積為V=250.8m3；熱量交換的調整系數C=0.274；地鐵車廂內熱量交換完成的終止時間t2=20s，地鐵車廂內熱量交換完成的起始時間t1=0s；單位時間內車廂內交換的熱量總和為2780J，根據公式（2）可以推導出dt，再將dt代入公式（1）。因為地鐵電氣系統所需額定功率為Q=770W，地鐵電氣系統工作的持續時間系數T=1.93，地鐵電氣系統中2類功率間的協調系數K=0.081，根據公式（1）可以計算出當t=20s時系統實際功率P=755W，所以系統實際功率需求和額定功率需求并不吻合，仍需要對其進行進一步調整，系統實際功率曲線需要進一步拉升。圖4曲線上各點的坐標均按照上述方法進行計算，從而得到整條功率曲線的變化趨勢。由此可見，本文第2節所刻畫的模型和闡述公式，是全文理論計算和功率曲線生成結果的依據。

當一個系統實際發生功率時，如果控制模塊能夠及時響應，迅速將功率曲線拉升至需求功率的位置，就證明這個控制模塊的性能較好。相反地，在控制模塊的作用下，系統功率需要經過較長時間才能拉升至需求功率的位置，就表明該控制模塊的性能較差。

按照上述標準考察本文設計的地鐵電氣控制模塊。當系統實際功率需求快速增大時，電氣控制模塊能做出及時響應，功率跟隨曲線迅速拉升。但是，這種拉升存在一定的誤差，從而導致實際功率的幅度超過了需求功率的幅度，產生了超調。但比較理想的是，本文設計的電氣控制模塊會進一步對功率曲線進行調整，從而從超調的位置回撤，并逐漸與需求功率相吻合。當實際功率和需求功率接近時，功率曲線就會保持平穩，不再變化。這也間接證明了本文設計的電氣控制模塊的硬件、軟件和算法是有效的，可提高地鐵系統的功率響應速度。

第一組試驗，進一步驗證在本文設計的電氣控制系統和控制軟件下，地鐵系統的滿載運行功率情況，試驗結果如圖5所示。

在這組試驗中，本文選擇具有5節車廂的地鐵作為研究對象，分別是車廂1、車廂2、車廂3、車廂4和車廂5。在常規控制的手段下，5節車廂的滿載運行功率均較大，而在本文設計的電氣控制模塊控制下，各節車廂的滿載運行功率明顯降低，從而顯著降低了地鐵系統的能源負荷，也可以達到節能目的。

綜合上述2組試驗不難看出，本文設計的電氣控制模塊和相應軟件可使地鐵系統實現快速響應控制、節能控制，達到了令人滿意的效果。

4 結論

地鐵系統的構成非常復雜，涉及車體子系統、控制子系統、通信子系統和電氣子系統等。本文針對地鐵系統的電氣控制進行了系統研究和驗證。分析了地鐵系統的組成結構和工作原理，進而給出了基于STM32嵌入式電氣控制系統的硬件結構和軟件設計方案，構建了與能量交換、熱能轉換工作過程對應的算法模型。在試驗過程中，以具有5節車廂的地鐵系統為試驗對象，以常規控制方法為參照方法，證明了在本文方法的控制作用下，地鐵系統可以實現快速功率響應，并且滿載運行功率較低，從而取得了良好的節能效果，可以更好地輔助地鐵運行。

參考文獻

[1]楊博.電氣自動化的發展及在地鐵中的應用體會[J].中文科技期刊數據庫（全文版）工程技術，2022，35（10）：41-44.

[2]穆泓冰，王永利，楊宇鵬.地鐵車輛電氣系統中牽引與輔助供電系統的故障與檢修方法[J].中國設備工程，2023，32（11）：182-184.

[3]王蒲民，梁利勇.淺談外電源電壓波動對地鐵電氣設備運行的影響及防治措施[J].西安軌道交通職業教育研究，2022，25（1）：122-128.